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地理科学 >

2017 , Vol. 37 >Issue 12: 1894 - 1899

DOI: https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2017.12.013

1958~2015年疏勒河上游出山径流变化及其气候因素分析

  • 杨春利 , 1 ,
  • 蓝永超 2 ,
  • 王宁练 3, 4 ,
  • 王启优 5 ,
  • 李亚林 6
展开
  • 1.甘肃省社会科学院区域经济研究所,甘肃 兰州 730070
  • 2.中国科学院西北生态环境资源研究院内陆河流域生态水文重点实验室,甘肃 兰州 730000
  • 3.陕西省地表系统与环境承载力重点实验室, 陕西 西安 710127
  • 4.西北大学地表系统与灾害研究院,陕西 西安 710127
  • 5.甘肃省水文水资源局,甘肃 兰州 730000
  • 6.甘肃省疏勒河流域水资源管理局,甘肃 玉门 735211

作者简介：杨春利(1982-),男,助理研究员,主要从事资源环境与区域可持续发展研究。E-mail:

收稿日期: 2016-12-14

  要求修回日期: 2017-02-20

  网络出版日期: 2017-12-20

基金资助

国家重点研发计划课题（2017YFC0404302）资助

收起

Mountainous Runoff Changes and Climate Factors Analysis of the Shule River Basin in 1958-2015

  • Yang Chunli , 1 ,
  • Lan Yongchao 2 ,
  • Wang Ninglian 3, 4 ,
  • Wang Qiyou 5 ,
  • Li Yalin 6
Expand
  • 1. Institute of Regional Economy, Gansu Academy of Social Sciences, Lanzhou 730070, Gansu, China
  • 2. Key Laboratory of Ecohydrology in Inland River Basin, Northwest Institute of Eco-Envrionment and Reources, CAS, Lanzhou 730000, Gansu, China
  • 3. Key Laboratory of Surface System and Environmental Carrying Capacity, Shaanxi Province, Xi’an 710069, Shaanxi, China;
  • 4. Institute of Surface System and Disaster Rresearch, Northwest University, Xi’an 710069, Shaanxi, China;
  • 5. Hydrology and Water Resources Bureau of Gansu Province, Lanzhou 730000, Gansu, China
  • 6. Shule River Basin Water Resources Bureau of Gansu Province, Yumen 735211, Gansu, China

Received date: 2016-12-14

  Request revised date: 2017-02-20

  Online published: 2017-12-20

Supported by

National Key Research and Development Program (2017YFC0404302).

Copyright

本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
Fold

摘要

利用1958~2015年疏勒河出山口昌马堡水文站径流资料以及同期流域气象资料,揭示了疏勒河出山径流及其对流域气候变化的响应。结果表明：总体上,疏勒河出山径流量呈现增加趋势,特别是20世纪90年代后期以来,出山径流增加趋势更为明显,但近几年,疏勒河出山径流量缓慢回落,21世纪初暂时成为代际变化的拐点。研究亦显示,疏勒河出山径流对河源处高海拔山区气候变化的响应更为敏感,出山径流年际变化实际受到山区气候因素的共同影响,不同时段各因素影响强度具有一定差异;降水是出山径流变化的主控因素,但气温升高导致冰雪融化加快是近年来出山径流增长较快的重要原因。定量分析表明,20世纪90年代后期以来气温等对径流影响比重超过60%,而降水约为30%左右。

关键词： 疏勒河流域; 出山径流; 气候变化

本文引用格式

杨春利 , 蓝永超 , 王宁练 , 王启优 , 李亚林 . 1958~2015年疏勒河上游出山径流变化及其气候因素分析[J]. 地理科学, 2017 , 37(12) : 1894 -1899 . DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.2017.12.013

Abstract

Mountainous runoff is very important to the inland river basin in Northwest China, because it is related to the oasis ecological environment security and the social and economic sustainable development in the middle and lower reaches of the basin. Therefore, more and more studies are focused on the changes of mountainous runoff under the climate change in this region. The Shule River is one of the three largest inland river in Hexi Corridor, Gansu Province, Northwest China. Based on the runoff data at Changmabu hydrological station and the meteorological data of the Shule River Basin during the period 1958-2015, this article analyzed the characteristics of mountainous runoff of the Shule River Basin and its response to the climate change. The trend of mountainous runoff is analyzed by the line trend method. The mutation of mountainous runoff is analyzed by the Cumulative departure method. Morerover, the evapotranspiration is calculated by the Takahashi formula, and the relationships between mountainous runoff and climate factors are analyzed by the Correlation and Sliding correlation method. The main results were obtained as follows: In general, the mountainous runoff of the Shule River Basin presents an increasing trend in the research periods, and this trend was more obvious since the late 1990s, however, it is declined slowly in recent years. Moreover, the runoff series appears an obvious mutation in 1997. Finally, the correlation analysis shows that precipitation was the main control factor for the mountainous runoff changes. At the same time, the increased snow and ice melt caused by the rising temperature was the main reason for the changes of mountainous run off in recent years. In a word, the variability of runoff depends on the comprehensive impact of the climate factors for the effect of each factor is inconsistent in different stage.

Key words： the Shule River Basin; mountainous runoff; climate change

出山径流是西北内陆河流域十分重要的地表水源,它关系到中下游绿洲生态环境安全和社会经济可持续发展,因此是当地发展的重要经济命脉[1]。近几十年来,随着全球平均气温趋于上升,西北内陆河流域水资源安全逐渐受到威胁,极大地威胁着干旱区绿洲农业系统。因此,气候变化背景下的西北内陆河径流变化受到学术界越来越多的关注[2,3,4]。
疏勒河地处甘肃河西走廊西部,是河西三大内陆水系之一,其地表水资源主要形成于河流上游祁连山区的降水和冰雪融水,也是中下游绿洲赖以生存和发展的重要水源保障。近年来,出山径流由于受到气候变化的影响而发生了显著改变。因此,明晰出山径流及其对流域气候变化的响应过程,对于未来制定气候变化背景下的流域水资源适应对策,实现流域水资源可持续开发利用具有重要意义。目前,有关疏勒河出山径流与气候变化的研究成果较多[2,4~7]。总体来看,在以往的研究工作中,对出山径流和气候要素的变化特征和趋势分析较多,而对内在联系分析相对较少,尤其是在不同时段上的相互联系,以及出山径流对气候要素响应的变化等方面研究更不多见。为此,本文在搜集最新径流、气象等数据基础上,通过分析出山径流的变化特征,重点探讨了出山径流与气候要素变化的关系,以期在更深层次上揭示出山径流变化的根本原因,为未来流域水资源变化研究以及可持续利用提供科学依据。

1 研究区概况

疏勒河流域位于甘肃省河西走廊西部,介于92°11′~ 99°00′E,38°00′~ 42°48′N之间,是河西走廊三大内陆河流域之一,全流域包括北部疏勒河水系和南部苏干湖水系2大部分。本文研究区域主要为疏勒河干流上游流域,出山口径流控制站为昌马堡水文站,水文站以上的集水面积约1.16×l04km2[5]。
Fig.1 Distributions of the hydrological and meteorological stations in the upper Shule River Basin

图1 疏勒河上游流域气象站及水文站分布

2 数据资料与分析方法

2.1 数据资料

选用1958~2015年昌马堡水文站实测径流量作为出山径流分析数据。疏勒河流域气象站点十分稀疏,本文选用的气象观测数据主要包括：上游河源附近国家基本气象站——托勒站的气温、降水资料;河源与出山口之间甘肃省水文局布设的鱼儿红雨量观测站的降水资料,以及出山口处昌马堡水文站的部分气象观测资料（表1）。其中,托勒气象站数据来源于中国气象数据网（http://data.cma.cn/）,其它数据资料均来源于甘肃省水文水资源局,为确保分析结果的一致性和可靠性,均采用1958~2015年同步系列数据资料。
Table 1 The basic situations of hydrologic and meteorological stations in the Shule River Basin

表1 疏勒河流域水文气象观测站点基本情况

站点 观测资料 经纬度 海拔(m) 年降水量(mm) 年均温(℃) 资料年限
托勒 气温、降水等 98°25′E,38°48′N 3367 299 -2.52 1958~2015年
鱼儿红 降水 97°16′E,39°04′N 3030 133 1958~2015年
昌马堡 径流、气温、降水 96°51′E,39°49′N 2080 97 5.1 1958~2015年

2.2 分析方法

采用线性趋势法[8]分析出山径流的变化趋势;采用差积曲线法[9]分析径流序列的突变性。此外,蒸散量采用高桥经验公式计算[10],在分析出山径流对气候变化的响应时,采用了相关分析法,并且进一步利用滑动相关分析[11]了出山径流对气候变化的响应特征。最后,利用双累积曲线法[12]探讨了降水、气温对径流的影响程度。

3 疏勒河出山径流变化特征分析

3.1 年（代）际变化特征

近57 a来,疏勒河出山径流量总体呈现增长趋势（图2）,线性变率为0.91×108m3/10a（p<0.01）。从代际变化特征来看,20世纪90年代以前出山径流量在波动中缓慢增加,各年代平均径流量单调递增,但低于多年均值9.89×108m3;90年代以后,出山径流快速增加并超过多年平均流量,2000年平均出山径流量高达12.95×108m3,其中2010年出山径流量达到有观测记录以来的最大值16.97×108m3。近几年,疏勒河出山径流量缓慢回落,因而21世纪初暂成为出山径流年代际变化的拐点。
径流量的累积距平表明,在1997 年呈现显著跃变性质,如图3 所示,疏勒河出山径流主要经历了2个阶段,即1958~1997年的流量相对平稳阶段和1998~2015年的流量增多阶段。
Fig.2 The trend of the mountainous runoff

图2 出山径流量变化趋势

Fig.3 The cumulative departure curve of the mountainous runoff

图3 出山径流量累积距平曲线

3.2 年内分配特征

疏勒河出山径流的年内分配差异较大,受气候影响径流多集中在夏半年,约占全年的80%,冬半年则明显偏少。但冬季流量比较稳定,这是由于冬季降水基本以固态形式存在,河流补给主要依靠山区深层地下水源;4、5月份气温回升后,融雪和解冻使得径流量逐渐增加,随后进入降水最集中的季节,加上高山冰雪融水产生,7、8月出山径流量达到最大值,10月份以后随着气温降低以及暖湿气流影响减弱,径流量逐渐减小。

4 出山径流对气候变化的响应

4.1 出山径流与气候因素的相关分析

通过计算出山径流与各站点气候要素的月、季、年序列相关系数（表2）,可以看出疏勒河出山径流量与气温变化相关更为明显,如托勒站气温与出山径流仅在3月份相关性不显著,其它月份以及在季节和全年序列上均呈显著正相关,但出山口处的昌马堡站气温仅在1月、4月和11月与出山径流的相关性比较显著,其它时段序列上相关性并不明显,反映了河源处高海拔山区的气温变化可能对径流影响更大,在一定程度上说明山区增温可能加快高海拔地区的冰雪消融的速度,进而使得冰雪融水径流对河流的补给量变大。高鑫等[13]对河西内陆河冰川融水径流研究中也可以得到佐证。
Table 2 The correlation coefficient of the mountainous runoff and relevant climate factors

表2 疏勒河出山径流与各站点气候因子的相关系数

时间
序列		 降水 气温 蒸散量
托勒 鱼儿红 昌马堡 托勒 昌马堡 托勒
1 -0.048 0.274 0.225 0.421** 0.371* -0.093
2 -0.091 0.386* -0.073 0.455** 0.134 -0.066
3 -0.085 0.106 0.112 0.165 -0.063 -0.104
4 0.026 0.283 0.214 0.545** 0.380* 0.062
5 0.258 0.138 0.403** 0.394** 0.008 0.226
6 0.559** 0.481** 0.091 0.275* -0.291 0.579**
7 0.442** 0.173 0.201 0.590** -0.265 0.605**
8 0.390** 0.159 0.192 0.671** -0.029 0.528**
9 0.645** 0.488** 0.523** 0.603** -0.267 0.542**
10 0.218 0.407** 0.334* 0.355** -0.094 0.223
11 0.117 0.279 0.093 0.364** 0.543** 0.111
12 0.197 0.013 0.188 0.305* 0.308 0.202
春 0.141 0.390** 0.339* 0.308* 0.003 0.106
夏 0.463** 0.213 0.115 0.653** -0.197 0.647**
秋 0.638** 0.596** 0.531** 0.501** -0.132 0.562**
冬 -0.037 0.290 0.149 0.562** 0.261 -0.059
年 0.634** 0.421* 0.380* 0.619** -0.090 0.687**

注：“*”、“**”分别表示5%和1%的显著水平。

疏勒河出山径流对降水响应的敏感时段主要集中在5~10月份,即夏秋季节。从夏秋季降水和径流时间序列的相关性上可以看出,两者相关系数比较显著,尤其在托勒站,夏秋季平均相关系数超过0.5,年序列的相关系数可达0.63。鱼儿红和昌马堡的降水量与出山径流在秋季和年序列上也显著相关。从空间上看,出山径流与昌马堡站降水量相关系数最低,反映出径流量也与河源区站点降水量关系更为密切,这主要因为河源区站点海拔较高,降水量较多,随着海拔降低降水量逐渐减少,对径流量影响程度也逐渐减小。
尽管计算得出疏勒河出山径流与托勒蒸散量在夏秋季及全年表现为显著的正相关关系,但疏勒河出山径流量增加实为气温上升导致冰雪融水增加,以及降水增加等共同作用所致。由此可知,疏勒河流域蒸发与径流的相关性难以反映两者之间的真实联系。
总体上,疏勒河流域出山径流对温度变化的响应更为敏感。由于流域内积雪与冰川的比例相对较大,冰川面积达509.87 km2[14],随着气温升高,高海拔地区的冰雪融水不断增加,这是近年来出山径流增长较快的重要原因。另外,从降水量的变化趋势以及与径流的相关分析可知,降水是出山径流变化的主控因素,尤其是在夏秋季,近80%的年径流量也主要集中在此时段,并且二者年序列的相关系数也高于气温与径流的相关系数。一 般来说,蒸散发过程也会影响径流量,但在冰雪融水型流域,气温对出山径流影响较大,因此仅以蒸散量与径流量相关性难以解释两者的关系。

4.2 出山径流对气温、降水变化的响应

疏勒河出山径流的年际变化具有明显的阶段性,为分析出山径流对气候响应的变化特征,本文应用滑动相关法分析了出山径流与气温、降水相关性的变化趋势。考虑到气象要素的滑动相关计算窗口以15~20 a效果较好[11]。因此,这里仅以15 a为时间窗口,从1958~1973开始逐年向后滑动,计算了出山径流量与托勒气象站气温、降水之间的滑动相关系数。
Fig.4 Moving correlation changes between the mountainous runoff and climate factors

图4 疏勒河出山径流量与气候要素的滑动相关变化

Fig.5 The double mass curve of cumulative annual precipitation and annual runoff depth in catchment

图5 流域年径流深和降水量的双累积曲线

结果如图4所示,径流变化与降水始终呈现正相关关系,其中,20世纪90年代以前呈显著正相关,90年代以后正相关性逐渐减小且呈不显著状态（0.05显著性水平）,但依然表现为正相关性,进一步表明降水量对疏勒河出山径流一直具有正向影响。出山径流与气温的关系相对比较复杂,研究时域中出现了一个由正转负,再由负变正的过程,转折点出现在20世纪90年代中期的温度快速上升期,可能由于前期温度上升幅度较为缓慢,冰雪融水处于正常变化状态,故而温度和蒸散发的同位相变化对径流具有反向作用,但当温度变化引起的冰雪融水量逐渐加快时,出山径流与气温之间又呈现出正相关关系,而且在2000年后非常显著,正相关系数甚至超过了降水与出山径流的相关系数,表现出温度在此阶段的主导作用。因此,出山径流年际变化实际上受到气候因素的共同影响,但不同时段各因素影响强度具有一定差异。

4.3 降水和气温对出山径流影响的定量分析

通过以上分析可知,气温和降水对出山径流影响具有一定差异,为定量分析降水和气温因素对出山径流量的影响程度,进一步应用双累积曲线法分析降水-径流关系的变化趋势。双累积曲线方法是目前分析水文气象资料一致性中最简单直观的方法[12]。疏勒河上游流域平均降水量与平均径流深的双累积曲线见图5。
可以看出累积年降水量和累积年径流深关系曲线亦在1997年前后出现拐点,单位降水量产生的径流深出现增加趋势。一般认为这种偏离是人类活动干扰的结果,但在疏勒河上游山区,人类活动对径流的影响十分微弱,考虑到疏勒河属于冰雪融水型河流,根据以往研究发现,气温升高造成流域冰雪融水增加是近年来径流增加的重要原因[2,13],因此这种偏离可认为是气温等因素影响的结果。利用突变前流域平均降水和出山径流资料,建立流域累积降水-累积径流直线回归方程如下：
∑ R dept h = 0.44 ∑ P + 50.74 （1）
式中, R dept h 表示累积年径流深（mm）,为累积年降水量（mm）,两者相关系数为0.99,统计检验相关性水平显著,因而可用于预估突变年份后逐年累积降水量相应的累积径流深,其值相当于突变年份之前的气温条件下,流域降水量所形成的理论径流深。通过分析突变前径流实测值与突变后各时段预估理论值、实测值的差值,即可得出降水、气温等理论上对径流的影响大小。此处仅以2010年（出山径流量出现历史最大值）为界,将突变后的年份分为2个时段,计算结果如表3所示。
可以看出,突变年（1997年）以后疏勒河平均出山径流量出现了大幅增长,但2011~2015年平均流量较突变年后（1998~2010年）稍有减少;不同时期降水和气温等对径流的影响程度有所不同,对比发现近5 a来降水对径流的影响相对1998~2010年稍有增强,气温等的影响则稍有减弱;同一时期降水和气温等对径流的影响差异则较大,如突变年后第一时段（1998~2010年）,气温等对出山径流影响量最大,达到67%,降水影响比重为33%。总体来看,气温等对径流影响在突变年以来比重超过60%,而降水约为30%左右,因此可以进一步明确气温因素是20世纪90年代后期以来疏勒河出山径流量增加的主要原因。
Table 3 Influence of precipitation and temperature on runoff in the upper reaches of the Shule River

表3 降水和气温等对疏勒河出山径流的影响

时段 径流量（×108m3） 变化量（×108m3） 降水 气温等
实测值 理论值 变化值 比重（%） 变化值 比重（%）
1997年前 8.67
1998~2010年 12.62 9.97 3.95 1.3 33 2.65 67
2011~2015年 12.56 10.17 3.89 1.5 39 2.39 61

5 结论

近57 a来疏勒河出山径流量总体呈现增加趋势,但20世纪90年代之前增长较缓慢,90年代以后增长迅速,近几年有波动下降趋势,因此目前来看,21世纪初无疑是一个代际变化的拐点。
疏勒河出山径流对河源处高海拔山区气候变化的响应更为敏感。气温升高使得高海拔地区的冰雪融水不断增加,可能是近年来出山径流增长较快的重要原因;但从长期变化来看,降水仍然是出山径流的主控因素。
出山径流的年际变化取决于气候要素的综合作用,但在不同阶段,各要素的影响作用也有所不同。定量分析表明,20世纪90年代后期以来气温等对径流影响比重超过60%,而降水约为30%左右。
疏勒河流域气候变化会导致出山径流量和分布规律发生改变,会对中下游绿洲的社会经济可持续发展产生重要影响,如何根据流域气候变化规律进行出山径流量的预测以及制定相应的水资源调控发展对策,是进一步研究的重点内容。

The authors have declared that no competing interests exist.

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张鹏, 张钰, 罗颖, 等. 疏勒河出山口径流对上游气候变化的响应[J]. 水资源与水工程学报, 2013,24(5):165-172.研究疏勒河出山口径流对上游气候变化的响应关系，对流域综合规划和水资源开发利用都具有重要意义。论文通过累积距平、Mann—Kendall检验、滑动t检验、以及Yamamot法对托勒气象站1956—2011年的气温、降水量以及同期疏勒河昌马堡水文站的径流监测数据进行分析，发现三者均呈现上升趋势，其中气温平均每年升高0．035℃，降水平均每年增加1．25mm，径流量平均每年增加0．102亿m’。气温、降水量和径流量均在1997年发生了明显的正突变，可能是该流域开始变湿的讯号。通过分析疏勒河径流量与上游气温、降水的相关关系，建立了多变量CAR模型，并取得了良好的效果。

[Zhang Peng, Zhang Yu, Luo Ying et al. Response of runoff at mountainous area of Shule river to climate change of upstream. Journal of Water resources &Water Engineering, 2013,24(5):165-172.]

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李计生, 胡兴林, 黄维东, 等. 河西走廊疏勒河流域出山径流变化规律及趋势预测[J]. 冰川冻土, 2015, 37(3): 803-810.依据甘肃省河西走廊疏勒河流域1956-2013年水文站实测及水文调查资料, 对流域出山径流的年内、年际变化进行统计分析, 并用坎德尔秩次相关法等检验流域径流变化趋势. 结果表明: 1956-2013年多年平均出山径流量为11.6679&#215;108 m3; 汛期集中在6-9月, 各河流来水量占年来水量的35.9%~78.7%; 地下水补给平均占径流量的40.46%; 出山径流年际变化相对稳定, 趋势表现为持续性上升的特点. 未来2014-2018年疏勒河干流出山径流为偏丰, 年平均径流量预计为13.01&#215;108 m3.

DOI

[Li Jisheng, Hu Xinglin, Huang Weidong et al. Variation and trend prediction of the mountain runoffs of the trunk streams of the Shule River basin, Hexi Corridor. Journal of Glaciology and Geography, 2015, 37(3): 803-810.]

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DOI

[Fu Jing, Fan Guangzhou, Zhou Dingwei.The applicability and modification of Takahashi Formula for evaporation estimation in Lhasa. Journal of Applied Meteorological Science, 2012,23(2):231-237.]

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DOI

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DOI

[Mu Xingmin, Zhang Xiuqin, Gao Peng et al. Theory of double mass curves and its applications in Hydrology and Meteorology. Journal of China Hydrology, 2010, 30(4): 47-51.]

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[Gao Xin, Zhang Shiqiang, Ye Baisheng et al. Recent changes of glacier runoff in the Hexi Inland river basin. Advances in Water Science, 2011, 22(3):344-350.]

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